Co dzieje się wokół cewki z prądem. Elektromagnesy - pole magnetyczne cewki z prądem. Pole magnetyczne prądu stałego
Największym praktycznym zainteresowaniem jest pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd. Rysunek 97 przedstawia cewkę składającą się z dużej liczby zwojów drutu owiniętego wokół drewnianej ramy. Gdy w cewce jest prąd, opiłki żelaza są przyciągane do końca, a po wyłączeniu prądu odpadają.
Ryż. 97. Przyciąganie opiłków żelaza przez cewkę z prądem
Jeśli cewka z prądem jest zawieszona na cienkich i elastycznych przewodach, zostanie zainstalowana w taki sam sposób, jak igła kompasu magnetycznego. Jeden koniec zwoju będzie skierowany na północ, a drugi na południe. Oznacza to, że cewka z prądem, podobnie jak igła magnetyczna, ma dwa bieguny - północny i południowy (ryc. 98).
Ryż. 98. Bieguny cewki z prądem
Wokół cewki przewodzącej prąd występuje pole magnetyczne. To, podobnie jak pole prądu stałego, można wykryć za pomocą trocin (ryc. 99). Linie magnetyczne pola magnetycznego cewki z prądem są również krzywymi zamkniętymi. Ogólnie przyjmuje się, że na zewnątrz cewki są one skierowane od bieguna północnego cewki na południe (patrz rys. 99).
Ryż. 99. Linie magnetyczne cewki z prądem
Cewki z prądem są szeroko stosowane w technice jako magnesy. Są wygodne, ponieważ ich działanie magnetyczne można zmieniać (wzmacniać lub osłabiać) w szerokim zakresie. Przyjrzyjmy się sposobom, w jakie możemy to zrobić.
Rysunek 97 przedstawia eksperyment, w którym obserwuje się działanie pola magnetycznego cewki z prądem. Jeśli zamienimy cewkę na inną z większą liczbą zwojów drutu, to przy tej samej sile prądu będzie przyciągać więcej żelaznych przedmiotów. Znaczy, efekt magnetyczny cewki z prądem jest tym silniejszy, im większa jest w niej liczba zwojów.
Włączymy reostat w obwód zawierający cewkę (ryc. 100) i za jego pomocą zmienimy natężenie prądu w cewce. Wraz ze wzrostem natężenia prądu wpływ pola magnetycznego cewki z prądem wzrasta, ze spadkiem słabnie.
Ryż. 100. Działanie pola magnetycznego cewki
Okazuje się również, że efekt magnetyczny cewki z prądem można znacznie zwiększyć bez zmiany liczby jej zwojów i natężenia w niej prądu. Aby to zrobić, musisz włożyć żelazny pręt (rdzeń) do cewki. Żelazo umieszczone wewnątrz cewki wzmacnia efekt magnetyczny cewki.(Rys. 101).
Ryż. 101. Działanie pola magnetycznego cewki z żelaznym rdzeniem
Cewka z żelaznym rdzeniem wewnątrz nazywana jest elektromagnesem.
Elektromagnes to jedna z głównych części wielu urządzeń technicznych. Rysunek 102 przedstawia elektromagnes w kształcie łuku trzymający kotwicę (żelazną płytę) z zawieszonym ładunkiem.
Ryż. 102. Elektromagnes łukowy
Elektromagnesy są szeroko stosowane w inżynierii ze względu na ich niezwykłe właściwości. Po wyłączeniu prądu szybko się rozmagnesowują, w zależności od przeznaczenia mogą być wykonane w różnych rozmiarach, podczas gdy elektromagnes pracuje, jego efekt magnetyczny można regulować poprzez zmianę natężenia prądu w cewce.
Elektromagnesy o dużej sile podnoszenia są wykorzystywane w fabrykach do przenoszenia produktów wykonanych ze stali lub żeliwa, a także wiórów stalowych i żeliwnych, wlewków (ryc. 103).
Ryż. 103. Zastosowanie elektromagnesów
Figura 104 przedstawia widok przekrojowy magnetycznego separatora ziarna. Do ziarna wmieszane są bardzo drobne opiłki żelaza. Trociny te nie przyklejają się do gładkich ziaren pożytecznych zbóż, ale przyklejają się do ziaren chwastów. Ziarna 1 są wysypywane z leja na obracający się bęben 2. Wewnątrz bębna znajduje się silny elektromagnes 5. Przyciągając cząstki żelaza 4 usuwa ziarno chwastów ze strumienia ziarna 3 i w ten sposób oczyszcza ziarno z chwastów i przypadkowo upadłe żelazne przedmioty.
Ryż. 104. Separator magnetyczny
Elektromagnesy znajdują zastosowanie w telegrafach, aparatach telefonicznych i wielu innych urządzeniach.
pytania
- W jakim kierunku zamontowana jest cewka przewodząca prąd zawieszona na długich, cienkich przewodach? Jakie ma podobieństwo z igłą magnetyczną?
- Jakie są sposoby na zwiększenie efektu magnetycznego cewki przewodzącej prąd?
- Co to jest elektromagnes?
- Do czego służą elektromagnesy w fabrykach?
- Jak działa magnetyczny separator ziarna?
Ćwiczenie 41
- Niezbędne jest zbudowanie elektromagnesu, którego siłę podnoszenia można regulować bez zmiany konstrukcji. Jak to zrobić?
- Co należy zrobić, aby zmienić bieguny magnetyczne cewki z prądem na przeciwne?
- Jak zbudować mocny elektromagnes, jeśli projektant ma warunek, że prąd w elektromagnesie jest stosunkowo mały?
- Zastosowane w żurawiu elektromagnesy mają ogromną moc. Elektromagnesy, za pomocą których opiłki żelaza przypadkowo wydostają się z oczu, są bardzo słabe. Jak osiąga się tę różnicę?
Ćwiczenie
Logiczne byłoby mówienie o innym przedstawicielu pasywnych elementów radiowych - cewkach indukcyjnych. Ale opowieść o nich będzie musiała zacząć się z daleka, pamiętaj o istnieniu pola magnetycznego, bo to pole magnetyczne otacza i przenika cewki, to właśnie w polu magnetycznym, najczęściej zmiennym, pracują cewki. Krótko mówiąc, to jest ich siedlisko.
Magnetyzm jako właściwość materii
Magnetyzm to jedna z najważniejszych właściwości materii, podobnie jak np. masa czy pole elektryczne. Zjawiska magnetyzmu, a także elektryczności znane są jednak od dawna, ale ówczesna nauka nie potrafiła wyjaśnić istoty tych zjawisk. Niezrozumiałe zjawisko nazwano „magnetyzmem” od nazwy miasta Magnesia, które kiedyś znajdowało się w Azji Mniejszej. To właśnie z wydobywanej w pobliżu rudy uzyskano magnesy trwałe.
Ale magnesy trwałe nie są szczególnie interesujące w ramach tego artykułu. Ponieważ obiecano mówić o cewkach indukcyjnych, najprawdopodobniej porozmawiamy o elektromagnetyzmie, ponieważ nie jest tajemnicą, że istnieje pole magnetyczne nawet wokół drutu z prądem.
We współczesnych warunkach dość łatwo jest zbadać zjawisko magnetyzmu, przynajmniej na początkowym poziomie. Aby to zrobić, musisz złożyć najprostszy obwód elektryczny z akumulatora i żarówki na latarkę. Zwykły kompas może służyć jako wskaźnik pola magnetycznego, jego kierunku i siły.
Pole magnetyczne prądu stałego
Jak wiecie, kompas wskazuje kierunek na północ. Jeśli umieścisz w pobliżu przewody najprostszego obwodu wymienionego powyżej i włączysz żarówkę, igła kompasu odbiegnie nieco od swojej normalnej pozycji.
Podłączając równolegle kolejną żarówkę, możesz podwoić prąd w obwodzie, co nieznacznie zwiększy kąt obrotu strzałki. Sugeruje to, że pole magnetyczne drutu przewodzącego prąd wzrosło. To na tej zasadzie działają przyrządy do pomiaru wskazówką.
Jeśli polaryzacja baterii jest odwrócona, igła kompasu obróci się również drugim końcem - kierunek pola magnetycznego w przewodach również się zmienił. Gdy obwód zostanie wyłączony, igła kompasu powróci do prawidłowej pozycji. W cewce nie ma prądu i nie ma pola magnetycznego.
We wszystkich tych eksperymentach kompas pełni rolę próbnej igły magnetycznej, podobnie jak badanie stałej pole elektryczne wytworzony przez próbny ładunek elektryczny.
Na podstawie tak prostych eksperymentów można stwierdzić, że magnetyzm powstaje dzięki prądowi elektrycznemu: im silniejszy ten prąd, tym silniejsze właściwości magnetyczne przewodnika. A skąd zatem bierze się pole magnetyczne magnesów trwałych, bo nikt nie podłączył do nich baterii przewodami?
Fundamentalny badania naukowe udowodniono, że magnetyzm trwały opiera się również na zjawiskach elektrycznych: każdy elektron znajduje się we własnym polu elektrycznym i ma elementarne właściwości magnetyczne. Tylko w większości substancji właściwości te wzajemnie się neutralizują, aw niektórych z jakiegoś powodu składają się na jeden wielki magnes.
Oczywiście w rzeczywistości wszystko nie jest takie prymitywne i proste, ale generalnie nawet magnesy trwałe mają swoje cudowne właściwości dzięki ruchowi. ładunki elektryczne.
Czym są linie magnetyczne?
Linie magnetyczne można zobaczyć wizualnie. W szkolnym eksperymencie na lekcjach fizyki opiłki metalu wylewa się na arkusz tektury, a poniżej umieszcza się magnes trwały. Lekko stukając w arkusz tektury, możesz uzyskać obraz pokazany na rysunku 1.
Obrazek 1.
Łatwo zauważyć, że magnetyczne linie siły wychodzą z bieguna północnego i wchodzą na południe bez zerwania. Oczywiście można powiedzieć, że przeciwnie, z południa na północ, ale jest to więc akceptowane z północy na południe. W taki sam sposób, jak kiedyś obrali kierunek prądu od plusa do minusa.
Jeśli zamiast magnesu trwałego przez tekturę zostanie przepuszczony drut z prądem, to opiłki metalu pokażą mu, przewodnik, pole magnetyczne. To pole magnetyczne ma postać koncentrycznych, kołowych linii.
Aby zbadać pole magnetyczne, możesz obejść się bez trocin. Wystarczy przesunąć testową igłę magnetyczną wokół przewodnika przewodzącego prąd, aby zobaczyć, że magnetyczne linie sił są rzeczywiście zamkniętymi koncentrycznymi okręgami. Jeśli przesuniemy strzałkę testową w kierunku, w którym odchyla ją pole magnetyczne, to z pewnością wrócimy do tego samego punktu, z którego zaczęliśmy się poruszać. Podobnie jak chodzenie po Ziemi: jeśli pójdziesz gdziekolwiek bez odwracania się, to prędzej czy później dojdziesz w to samo miejsce.
Rysunek 2.
Kierunek pola magnetycznego przewodnika z prądem określa zasada świdra, narzędzia do wiercenia otworów w drzewie. Tutaj wszystko jest bardzo proste: świder musi być tak obrócony, aby jego ruch postępowy pokrywał się z kierunkiem prądu w drucie, wtedy kierunek obrotu rączki pokaże, gdzie skierowane jest pole magnetyczne.
Rysunek 3
„Prąd płynie od nas” - krzyż w środku koła to upierzenie strzały lecącej poza płaszczyznę obrazu, a tam, gdzie „Prąd do nas płynie”, pokazany jest grot strzały lecący zza płaszczyzny arkusza . Przynajmniej takie wyjaśnienie tych oznaczeń było podawane na lekcjach fizyki w szkole.
Rysunek 4
Jeśli zastosujemy zasadę świderka do każdego przewodnika, to określając kierunek pola magnetycznego w każdym przewodniku, możemy z pewnością stwierdzić, że przewodniki o tym samym kierunku prądu przyciągają się, a ich pola magnetyczne sumują się. Przewodniki z prądami o różnych kierunkach odpychają się od siebie, ich pole magnetyczne jest kompensowane.
Induktor
Jeśli przewodnik z prądem jest wykonany w postaci pierścienia (cewki), to ma własne bieguny magnetyczne, północne i południowe. Ale pole magnetyczne jednego zwoju jest z reguły małe. Dużo lepsze rezultaty można osiągnąć, nawijając drut w postaci cewki. Taka część nazywana jest cewką indukcyjną lub po prostu indukcyjnością. W tym przypadku pola magnetyczne poszczególnych zwojów sumują się, wzajemnie się wzmacniając.
Rysunek 5
Rysunek 5 pokazuje, w jaki sposób można otrzymać sumę pól magnetycznych cewki. Wydaje się, że każdy zwój można zasilać z własnego źródła, jak pokazano na ryc. 5.2, ale łatwiej jest połączyć zwoje szeregowo (wystarczy zwinąć jednym przewodem).
Jest oczywiste, że im więcej zwojów ma cewka, tym silniejsze jest jej pole magnetyczne. Pole magnetyczne zależy również od prądu płynącego przez cewkę. Dlatego całkiem uzasadnione jest oszacowanie zdolności cewki do wytworzenia pola magnetycznego poprzez pomnożenie prądu przepływającego przez cewkę (A) przez liczbę zwojów (W). Ta wartość nazywa się ampero - zwojami.
cewka rdzenia
Pole magnetyczne wytwarzane przez cewkę można znacznie zwiększyć, jeśli do cewki zostanie włożony rdzeń z materiału ferromagnetycznego. Rysunek 6 przedstawia tabelę ze względną przenikalnością magnetyczną różnych substancji.
Na przykład stal transformatorowa sprawi, że pole magnetyczne będzie około 7,7,5 tysiąca razy silniejsze niż w przypadku braku rdzenia. Innymi słowy, wewnątrz rdzenia pole magnetyczne będzie obracać igłę magnetyczną 7000 razy silniej (można to sobie tylko wyobrazić).
Rysunek 6
W górnej części stołu znajdują się substancje paramagnetyczne i diamagnetyczne. Względna przenikalność magnetyczna µ odnosi się do próżni. Dlatego substancje paramagnetyczne nieznacznie zwiększają pole magnetyczne, a substancje diamagnetyczne nieco je osłabiają. Ogólnie rzecz biorąc, substancje te nie mają specjalnego wpływu na pole magnetyczne. Chociaż przy wysokich częstotliwościach do strojenia obwodów czasami stosuje się rdzenie mosiężne lub aluminiowe.
W dolnej części stołu znajdują się substancje ferromagnetyczne, które znacznie wzmacniają pole magnetyczne cewki prądem. Na przykład rdzeń wykonany ze stali transformatorowej wzmocni pole magnetyczne dokładnie 7500 razy.
Co i jak zmierzyć pole magnetyczne
Gdy do pomiaru wielkości elektrycznych potrzebne były jednostki, jako standard przyjmowano ładunek elektronu. Z ładunku elektronu powstała bardzo realna, a nawet namacalna jednostka - wisior, a na jego podstawie wszystko okazało się proste: amper, wolt, ohm, dżul, wat, farad.
A co można uznać za punkt wyjścia do pomiaru pól magnetycznych? Powiązanie elektronu z polem magnetycznym jest bardzo problematyczne. Dlatego jako jednostkę miary w magnetyzmie przyjmuje się przewodnik, przez który przepływa prąd stały o wartości 1 A.
Główną taką cechą jest napięcie (H). Pokazuje z jaką siłą na wspomniany przewodnik testowy działa pole magnetyczne, jeśli dzieje się to w próżni. Próżnia ma na celu wykluczenie wpływu środowiska, dlatego ta cecha - napięcie uważane jest za absolutnie czyste. Jednostką napięcia jest amper na metr (a/m). Takie napięcie pojawia się w odległości 16 cm od przewodnika, przez który płynie prąd 1A.
Siła pola mówi tylko o teoretycznej zdolności pola magnetycznego. Rzeczywistą zdolność do działania odzwierciedla inna wartość indukcji magnetycznej (B). To ona pokazuje rzeczywistą siłę, z jaką pole magnetyczne działa na przewodnik o prądzie 1A.
Rysunek 7
Jeśli w przewodzie o długości 1 m płynie prąd o natężeniu 1A i jest on wypychany (przyciągany) z siłą 1N (102G), to mówią, że wielkość indukcji magnetycznej w tym miejscu wynosi dokładnie 1 Tesla.
Indukcja magnetyczna jest wielkością wektorową, oprócz wartości liczbowej posiada również kierunek, który zawsze pokrywa się z kierunkiem testowej igły magnetycznej w badanym polu magnetycznym.
Cyfra 8
Jednostką indukcji magnetycznej jest tesla (TL), chociaż w praktyce często stosuje się mniejszą jednostkę Gaussa: 1TL = 10 000 Gaussów. Dużo czy mało? Pole magnetyczne w pobliżu silnego magnesu może osiągnąć kilka T, w pobliżu magnetycznej igły kompasu nie więcej niż 100 gausów, ziemskie pole magnetyczne w pobliżu powierzchni wynosi około 0,01 gausa, a nawet mniej.
Wektor indukcji magnetycznej B charakteryzuje pole magnetyczne tylko w jednym punkcie przestrzeni. Aby ocenić działanie pola magnetycznego w określonej przestrzeni, wprowadza się również takie pojęcie jak strumień magnetyczny (Φ).
W rzeczywistości reprezentuje liczbę linii indukcji magnetycznej przechodzących przez daną przestrzeń, przez pewien obszar: Φ=B*S*cosα. Ten obraz można przedstawić jako krople deszczu: jedna linia to jedna kropla (B), a wszystko razem to strumień magnetyczny Φ. W ten sposób magnetyczne linie siły poszczególnych zwojów cewki są połączone we wspólny strumień.
Rysunek 9
W układzie SI Weber (Wb) jest traktowany jako jednostka strumienia magnetycznego, taki strumień występuje, gdy indukcja 1 T działa na powierzchnię 1 m2.
Strumień magnetyczny w różnych urządzeniach (silnikach, transformatorach itp.) Z reguły przechodzi przez pewną ścieżkę, zwaną obwodem magnetycznym lub po prostu obwodem magnetycznym. Jeżeli obwód magnetyczny jest zamknięty (rdzeń transformatora pierścieniowego), to jego rezystancja jest niewielka, strumień magnetyczny przechodzi bez przeszkód, skoncentrowany wewnątrz rdzenia. Poniższy rysunek przedstawia przykłady cewek z zamkniętymi i otwartymi obwodami magnetycznymi.
Rysunek 10.
Ale rdzeń można przepiłować i wyciągnąć z niego kawałek, aby zrobić szczelinę magnetyczną. Zwiększy to ogólną rezystancję magnetyczną obwodu, dlatego zmniejszy strumień magnetyczny i ogólnie indukcja w całym rdzeniu zmniejszy się. To tak samo, jak szeregowe lutowanie dużej rezystancji w obwodzie elektrycznym.
Rysunek 11.
Jeżeli powstała szczelina zostanie zablokowana kawałkiem stali, okazuje się, że równolegle do szczeliny dołączona jest dodatkowa sekcja o mniejszej rezystancji magnetycznej, która przywróci zakłócony strumień magnetyczny. Jest to bardzo podobne do bocznika w obwodach elektrycznych. Nawiasem mówiąc, istnieje również prawo dotyczące obwodu magnetycznego, które nazywa się prawem Ohma dla obwodu magnetycznego.
Rysunek 12.
Główna część strumienia magnetycznego przejdzie przez bocznik magnetyczny. To właśnie to zjawisko jest wykorzystywane w zapisie magnetycznym sygnałów audio lub wideo: warstwa ferromagnetyczna taśmy pokrywa szczelinę w rdzeniu głowic magnetycznych, a cały strumień magnetyczny zamyka się przez taśmę.
Kierunek strumienia magnetycznego generowanego przez cewkę można określić za pomocą reguły prawej ręki: jeśli cztery wyciągnięte palce wskazują kierunek prądu w cewce, to kciuk wskaże kierunek linii magnetycznych, jak pokazano na rysunku 13.
Rysunek 13.
Powszechnie przyjmuje się, że linie magnetyczne opuszczają biegun północny i wchodzą na południe. Dlatego kciuk w tym przypadku wskazuje położenie bieguna południowego. Aby sprawdzić, czy tak jest, możesz ponownie użyć igły kompasu.
Jak działa silnik elektryczny
Wiadomo, że elektryczność może wytwarzać światło i ciepło, uczestniczyć w procesach elektrochemicznych. Po zapoznaniu się z podstawami magnetyzmu możesz porozmawiać o działaniu silników elektrycznych.
Silniki elektryczne mogą mieć bardzo różną konstrukcję, moc i zasadę działania: na przykład prąd stały i przemienny, krokowy lub kolektor. Jednak przy całej różnorodności konstrukcji zasada działania opiera się na interakcji pól magnetycznych wirnika i stojana.
Aby uzyskać te pola magnetyczne, przez uzwojenia przepływa prąd. Im większy prąd i im wyższa indukcja magnetyczna zewnętrznego pola magnetycznego, tym silniejszy silnik. Do wzmocnienia tego pola wykorzystywane są obwody magnetyczne, dlatego w silnikach elektrycznych jest tak wiele części stalowych. Niektóre modele silników prądu stałego wykorzystują magnesy trwałe.
Rysunek 14.
Tutaj można powiedzieć, wszystko jest jasne i proste: przeszliśmy prąd przez drut, otrzymaliśmy pole magnetyczne. Oddziaływanie z innym polem magnetycznym powoduje, że przewodnik ten porusza się, a nawet wykonuje prace mechaniczne.
Kierunek obrotu można określić za pomocą reguły lewej ręki. Jeśli cztery wyciągnięte palce wskazują kierunek prądu w przewodniku, a linie magnetyczne wejdą w dłoń, zgięty kciuk wskaże kierunek wypychania przewodnika w polu magnetycznym.
Nadal badamy zagadnienia zjawisk elektromagnetycznych. A w dzisiejszej lekcji rozważymy pole magnetyczne cewki z prądem i elektromagnesem.
Największym praktycznym zainteresowaniem jest pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd. Aby uzyskać cewkę, musisz wziąć izolowany przewodnik i owinąć go wokół ramy. Ta cewka zawiera duża liczba zwoje drutu. Uwaga: te przewody są nawinięte na plastikową ramkę i ten przewód ma dwa przewody (rys. 1).
Ryż. 1. Cewka
Badanie pola magnetycznego cewki zostało przeprowadzone przez dwóch znanych naukowców: André-Marie Ampère i Francois Arago. Odkryli, że pole magnetyczne cewki jest dokładnie takie samo jak pole magnetyczne magnesu trwałego (rys. 2).
Ryż. 2. Pole magnetyczne cewki i magnesu stałego
Dlaczego linie magnetyczne cewki wyglądają tak?
Jeśli prąd stały przepływa przez prosty przewodnik, wokół niego powstaje pole magnetyczne. Kierunek pola magnetycznego można określić „zasadą świdra” (rys. 3).
Ryż. 3. Pole magnetyczne przewodnika
Zginamy ten przewodnik w spiralę. Kierunek prądu pozostaje taki sam, pole magnetyczne przewodnika istnieje również wokół przewodnika, dodaje się pole różnych odcinków przewodnika. Wewnątrz cewki pole magnetyczne będzie skoncentrowane. W efekcie otrzymujemy następujący obraz pola magnetycznego cewki (rys. 4).
Ryż. 4. Pole magnetyczne cewki
Wokół cewki przewodzącej prąd występuje pole magnetyczne. To, podobnie jak pole przewodnika bezpośredniego, można wykryć za pomocą trocin (ryc. 5). Linie pola magnetycznego cewki z prądem również są zamknięte.
Ryż. 5. Lokalizacja opiłków metalu w pobliżu cewki prądowej
Jeśli cewka z prądem jest zawieszona na cienkich i elastycznych przewodach, zostanie zainstalowana w taki sam sposób, jak igła kompasu magnetycznego. Jeden koniec zwoju będzie skierowany na północ, a drugi na południe. Oznacza to, że cewka z prądem, podobnie jak igła magnetyczna, ma dwa bieguny – północny i południowy (rys. 6).
Ryż. 6. Słupy cewki
Na schematach elektrycznych cewka jest oznaczona w następujący sposób:
Ryż. 7. Oznaczenie cewki na schematach
Cewki z prądem są szeroko stosowane w technice jako magnesy. Są wygodne, ponieważ ich działanie magnetyczne można zmieniać w szerokim zakresie.
Pole magnetyczne cewki jest duże w porównaniu z polem magnetycznym przewodnika (przy tej samej sile prądu).
Kiedy prąd przepływa przez cewkę, wokół niej powstaje pole magnetyczne. Im więcej prądu przepływa przez cewkę, tym silniejsze będzie pole magnetyczne.
Można go zamocować za pomocą igły magnetycznej lub wiórów metalowych.
Również pole magnetyczne cewki zależy od liczby zwojów. Pole magnetyczne cewki z prądem jest tym silniejsze, im większa jest w nim liczba zwojów. Oznacza to, że możemy regulować pole cewki, zmieniając liczbę jej zwojów lub prąd elektryczny przepływający przez cewkę.
Ale najciekawsze było odkrycie angielskiego inżyniera Sturgeona. Zademonstrował, co następuje: naukowiec wziął i nałożył cewkę na żelazny rdzeń. Chodzi o to, że przepuszczając prąd elektryczny przez zwoje tych cewek, pole magnetyczne wielokrotnie wzrosło - i wszystkie żelazne przedmioty, które były wokół, zaczęły być przyciągane do tego urządzenia (ryc. 8). To urządzenie nazywa się „elektromagnesem”.
Ryż. 8. Elektromagnes
Kiedy pomyśleli o zrobieniu żelaznego haka i przymocowaniu go do tego urządzenia, mieli możliwość ciągnięcia różnych ładunków. Czym więc jest elektromagnes?
Definicja
Elektromagnes- jest to cewka o dużej liczbie zwojów, nałożona na żelazny rdzeń, który przy przejściu przez uzwojenie nabiera właściwości magnesu prąd elektryczny.
Elektromagnes na schemacie jest oznaczony jako cewka, a pozioma linia znajduje się na górze (ryc. 9). Ta linia reprezentuje żelazny rdzeń.
Ryż. 9. Oznaczenie elektromagnesu
Kiedy badaliśmy zjawiska elektryczne, powiedzieliśmy, że prąd elektryczny ma różne właściwości, w tym magnetyczne. Jeden z eksperymentów, który omówiliśmy, dotyczył tego, że bierzemy przewód podłączony do źródła prądu, owijamy go wokół żelaznego gwoździa i obserwujemy, jak różne żelazne przedmioty zaczynają być przyciągane do tego gwoździa (ryc. 10). To najprostszy elektromagnes. A teraz rozumiemy, że najprostszy elektromagnes zapewnia nam przepływ prądu w cewce, duża liczba zwojów i oczywiście metalowy rdzeń.
Ryż. 10. Najprostszy elektromagnes
Dziś elektromagnesy są bardzo rozpowszechnione. Elektromagnesy działają prawie wszędzie i wszędzie. Na przykład, jeśli musimy przeciągnąć wystarczająco duże ładunki, używamy elektromagnesów. A dostosowując siłę prądu, odpowiednio zwiększymy lub zmniejszymy siłę. Innym przykładem zastosowania elektromagnesów jest dzwonek elektryczny.
Otwieranie i zamykanie drzwi oraz niektóre hamulce Pojazd(np. tramwaje) są również wyposażone w elektromagnesy.
Bibliografia
- Gendenstein L.E., Kaidalov A.B., Kozhevnikov V.B. Fizyka 8 / Wyd. Orlova V.A., Roizena I.I. - M.: Mnemosyne.
- Peryshkin A.V. Fizyka 8. - M.: Drop, 2010.
- Fadeeva A.A., Zasov A.V., Kiselev D.F. Fizyka 8. - M.: Oświecenie.
- Portal internetowy „strona” ()
- Portal internetowy „strona” ()
- Portal internetowy „class-fizika.narod.ru” ()
Zadanie domowe
- Co to jest cewka?
- Czy jakaś cewka ma pole magnetyczne?
- Opisz najprostszy elektromagnes.
Poruszający się ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Przepływ elektronów przechodzących przez przewodnik wytwarza pole magnetyczne wokół przewodnika. Jeśli drut metalowy zostanie nawinięty w pierścienie na pręcie, uzyska się cewkę. Okazuje się, że pole magnetyczne wytworzone przez taką cewkę ma ciekawe i co najważniejsze użyteczne właściwości.
Dlaczego powstaje pole magnetyczne
Właściwości magnetyczne niektórych substancji, które umożliwiają przyciąganie metalowych przedmiotów, znane są od czasów starożytnych. Ale do zrozumienia istoty tego zjawiska można było zbliżyć się dopiero początek XIX stulecie. Przez analogię do ładunków elektrycznych podjęto próby wyjaśnienia efektów magnetycznych za pomocą pewnych ładunków magnetycznych (dipoli). W 1820 duński fizyk Hans Oersted odkrył, że igła magnetyczna odchyla się, gdy prąd elektryczny przechodzi przez przewodnik znajdujący się w jej pobliżu.
Jednocześnie francuski badacz André Ampère odkrył, że dwa przewodniki umieszczone równolegle do siebie powodują wzajemne przyciąganie, gdy przepływa przez nie prąd elektryczny w jednym kierunku, oraz odpychanie, jeśli prądy są skierowane w różnych kierunkach.
Ryż. 1. Doświadczenie Ampere z przewodami przewodzącymi prąd. Igła kompasu w pobliżu drutu z prądem
Na podstawie tych obserwacji Ampère doszedł do wniosku, że oddziaływanie prądu ze strzałą, przyciąganie (i odpychanie) przewodów i magnesów trwałych między sobą można wyjaśnić, jeśli założymy, że pole magnetyczne jest tworzone przez poruszające się ładunki elektryczne. Dodatkowo Ampere postawił śmiałą hipotezę, zgodnie z którą wewnątrz substancji znajdują się nietłumione prądy molekularne, które są przyczyną powstania stałego pola magnetycznego. Wtedy wszystkie zjawiska magnetyczne można wyjaśnić oddziaływaniem poruszających się ładunków elektrycznych i nie istnieją żadne specjalne ładunki magnetyczne.
Model matematyczny (teoria), za pomocą którego stało się możliwe obliczenie wielkości pola magnetycznego i siły oddziaływania, opracował angielski fizyk James Maxwell. Z równań Maxwella, które łączyły zjawiska elektryczne i magnetyczne, wynikało, że:
- Pole magnetyczne powstaje tylko w wyniku ruchu ładunków elektrycznych;
- W naturalnych ciałach magnetycznych istnieje stałe pole magnetyczne, ale w tym przypadku przyczyną pola jest ciągły ruch prądów molekularnych (wirów) w masie materii;
- Pole magnetyczne można również wytworzyć za pomocą zmiennego pola elektrycznego, ale ten temat zostanie omówiony w naszych następnych artykułach.
Pole magnetyczne cewki z prądem
Drut metalowy nawinięty w pierścienie na dowolnym cylindrycznym pręcie (drewnianym, plastikowym itp.) Jest cewką elektromagnetyczną. Przewód musi być izolowany, to znaczy pokryty jakimś izolatorem (lakierem lub oplotem z tworzywa sztucznego), aby uniknąć zwarcia sąsiednich zwojów. W wyniku przepływu prądu pola magnetyczne wszystkich zwojów sumują się i okazuje się, że całkowite pole magnetyczne cewki przewodzącej prąd jest identyczne (zupełnie podobne) do pola magnetycznego magnesu trwałego.
Ryż. 2. Pole magnetyczne cewki i magnesu trwałego.
Wewnątrz cewki pole magnetyczne będzie jednolite, jak w magnesie trwałym. Z zewnątrz linie pola magnetycznego cewki prądowej można wykryć za pomocą drobnych metalowych opiłków. Linie pola magnetycznego są zamknięte. Analogicznie do igły kompasu magnetycznego cewka z prądem ma dwa bieguny - południowy i północny. Linie sił wychodzą z bieguna północnego i kończą się na południu.
Dla cewek z prądem istnieją dodatkowe, oddzielne nazwy, które są używane w zależności od zastosowania:
- Induktor lub po prostu - indukcyjność. Termin ten jest używany w inżynierii radiowej;
- Przepustnica(przepustnica - regulator, ogranicznik). Stosowany w elektrotechnice;
- Elektrozawór. To złożone słowo pochodzi od dwóch greckich słów: solen – kanał, rura i eidos – podobny). To nazwa specjalnych cewek z rdzeniami wykonanymi ze specjalnych stopów magnetycznych (ferromagnesów), które są wykorzystywane jako mechanizmy elektromechaniczne. Na przykład w rozrusznikach samochodowych przekaźnik zwijacza jest elektrozaworem.
Ryż. 3. Cewki indukcyjne, dławik, solenoid
Energia pola magnetycznego
W cewce z prądem energia jest magazynowana ze źródła zasilania (baterii, akumulatora), które jest tym większe, im większy jest prąd I i wartość L, która nazywana jest indukcyjnością. Energię pola magnetycznego cewki o prądzie W oblicza się ze wzoru:
$$ W = (( L*I^2)\ponad 2 ) $$
Ta formuła przypomina formułę na energię kinetyczną ciała. Indukcyjność jest zbliżona do masy ciała, a prąd do prędkości ciała. Energia magnetyczna jest proporcjonalna do kwadratu prądu, as energia kinetyczna proporcjonalna do kwadratu prędkości.
Do obliczenia wartości indukcyjności cewki służy następujący wzór:
$$ L = μ *((N^2*S)\ponad l_k) $$
N to liczba zwojów cewki;
S to pole przekroju cewki;
l do - długość cewki;
μ - przenikalność magnetyczna materiału rdzenia - wartość referencyjna. Rdzeń to metalowy pręt umieszczony wewnątrz cewki. Pozwala znacznie zwiększyć wielkość pola magnetycznego.
Czego się nauczyliśmy?
Dowiedzieliśmy się więc, że pole magnetyczne powstaje tylko w wyniku ruchu ładunków elektrycznych. Pole magnetyczne cewki z prądem jest podobne do pola magnetycznego magnesu trwałego. Energię pola magnetycznego cewki można obliczyć znając natężenie prądu I i indukcyjność L.
Quiz tematyczny
Ocena raportu
Średnia ocena: 4 . Łącznie otrzymane oceny: 52.
Narysujmy okrąg o promieniu R, zbiegający się ze średnią linią magnetyczną cewki pierścieniowej (ryc. 3-11), posiadający uzwojenie równomiernie rozłożone, składający się z ɯ skręty.
Całkowity prąd przenikający przez powierzchnię ograniczoną średnią linią magnetyczną, Σ I = Iɯ
Ze względu na symetrię natężenie pola H w punktach znajdujących się na środkowej linii magnetycznej będzie to samo.
siła magnesowania
F M = Hl = H 2πR
Zgodnie z całkowitym obowiązującym prawem
Iɯ = Hl.
Natężenie pola magnetycznego na środkowej linii magnetycznej (linii osiowej) cewki pierścieniowej
H= Iɯ : ja
Ryż. 3-11. Cewka pierścieniowa.
i indukcja magnetyczna
B = μ aH = μ a(I/l)
Uwzględniając indukcję magnetyczną na linii osiowej cewki pierścieniowej równą jej wartości średniej (co jest dopuszczalne, gdy R 1 - R 2 < R 1), Napiszmy wyrażenie na strumień magnetyczny cewki:
F = B.S.=μ a((Jestem):ja)
Ryż. 3-12.
Zależność (3-20) jest podobna do prawa Ohma dla obwodu elektrycznego i dlatego nazywana jest prawem Ohma dla obwodu magnetycznego; tutaj Ф - strumień magnetyczny jest podobny do prądu; F M- n. z. podobny do n.p. d.s, a R M- rezystancja obwodu magnetycznego - obwodu magnetycznego - jest zbliżona do rezystancji obwodu elektrycznego. Obwód magnetyczny należy tutaj rozumieć jako obwód magnetyczny - rdzeń, w którym pod działaniem n. z. zamknięty strumień magnetyczny.
Cewka cylindryczna (rys. 3-12) może być traktowana jako część cewki pierścieniowej o nieskończenie dużym
z uzwojeniem umieszczonym tylko na części rdzenia, którego długość jest równa długości cewki. Natężenie pola i indukcja magnetyczna na linii osiowej w środku cewki są określone tymi samymi wzorami, co dla cewki pierścieniowej. Ale dla cewki cylindrycznej te wzory są przybliżone. Mogą być używane do określenia H oraz W wewnątrz długiej cewki, której długość jest znacznie większa niż jej średnica.
Artykuł na temat Pole magnetyczne cewki z prądem
- Likwidacja oficjalna czy alternatywna: co wybrać Wsparcie prawne likwidacji spółki - cena naszych usług jest niższa niż ewentualne straty
- Kto może być członkiem komisji likwidacyjnej Likwidator lub komisja likwidacyjna na czym polega różnica
- Wierzyciele zabezpieczeni upadłością – czy przywileje zawsze są dobre?
- Praca kierownika kontraktu zostanie prawnie opłacona Pracownik odrzuca proponowane połączenie